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几种示温涂料的研制
时间:2014-05-19 22:24来源:太原工业学院 作者:郭丽君，宫晋英 示温涂料是一种以颜色变化来测量物体表面温度分布的特种涂料。根据示温涂料变色后出现颜色的稳定性，可以分成可逆型示温涂料和不可逆型示温涂料两大类。用示温涂料测量温度具有简单、快速、方便、直观等优点，为一般玻璃温度计、热电偶、热电阻温度计所不及。由于其特殊的使用价值，已受到各国的广泛重视，被用于测量飞机、炮弹的表面温度，还应用于电子原件、高压电路表面温度的测量以及超温报警、防伪等各个方面。国外一些国家已经研制出一系列不用用途的变色涂料，并正朝着低温方向发展。我国在示温涂料方面的研究始于１９６０年，主要是研究不可逆示温涂料，由于起步较晚，其技术水平相对比较薄弱。随着对示温涂料研究的进展，目前产品品种逐步增加，产品质量有所提高，但在变色颜料的结构、物性、颜料与颜料之间、颜料与外界因素之间的相互作用机理等多方面的研究还有待于加强，以便让更多的新品种满足科学技术日益发展的需要。本文主要根据某些化学物质受热后，由于分子结构的变化（如晶型转化、升华、失水、氧化等引起光散射的频带转移）导致反射的颜色发生变化的原理，研究了几种示温涂料的制备及各成分对示温涂料性能的影响，得出４种较优的配方组合，该配方可在实际工作中应用。
１ 示温涂料的组成 示温涂料的基本成分为：变色颜料、高分子基料、填料、溶剂。变色颜料是示温涂料受温度影响发生颜色变化的主要成分，是示温涂料的核心。条件适当时，许多有机染料及无机盐类均可作为变色颜料；高分子基料可使涂层牢固地附着在被测物体表面。白乳胶、虫胶、氨基树脂、硅树脂等可用作高分子基料；填料用于增加涂层的遮盖能力，使颜色均匀分布。常用的填料有滑石粉、钛白粉、碳酸钙等；溶剂对基料起稀释作用，用于调节涂料粘度。
２ 实验
２．１ 药品及实验仪器
２．１．１ 药品
１） 颜料：Ｃｏ盐，Ｃｕ盐，Ｎｉ盐，Ｃｒ盐，翡翠绿，碱性品红，溴酚蓝，变色抑制剂。
２） 基料：脲醛树脂，虫胶，８０１胶，硅树脂，白乳胶。
３） 填料：滑石粉，钛白粉，氧化镁，立德粉。
２．１．２ 仪器
烘箱，表面温度计，电吹风。
２．２ 定性实验
将不同的基料、颜料、填料等进行交叉配制，调至便于涂刷的粘度，涂于木片或瓷板上。干燥后，将样片放入烘箱中，或以电吹风烘烤，观察其颜色随温度的变化情况。经多次实验，找到以下较好组合。
１） 钴盐示温涂料：Ｃｏ盐、脲醛树脂、滑石粉、变色抑制剂。
２） 碳酸盐示温涂料：碳酸盐、脲醛树脂、滑石粉。
３） 碱性品红示温涂料：碱性品红、虫胶、钛白粉。
４） 翡翠绿示温涂料：翡翠绿、虫胶、钛白粉。
２．３ 定量实验
２．３．１ 钴盐示温涂料
进行定量实验，并观察各组分对示温涂料颜色变化的影响，以确定最佳配方。在钴盐示温涂料定量实验中，颜料均为Ｃｏ盐与变色抑制剂的混合物。
１） 填料量的影响。当Ｃｏ盐与变色抑制剂的摩尔比为１∶１时，其配方为Ｃｏ盐０．５ｇ，脲醛树脂３ｇ，滑石粉１．０～３．０ｇ。钴盐示温涂料中填料量的影响见表１所示。填料在示温涂料中的作用是使涂层发色鲜艳稳定，色调均匀，调节变色颜料的变色温度并改善涂层的附着力。表１可以看出，增加填料用量使变色温度降低，变色范围加宽。
 ２） 颜填料的影响。其配方为脲醛树脂３ｇ，滑石粉２．５ｇ，颜料钴盐为０．５～１．５ｇ。钴盐示温涂料中颜填料的影响见表２所示。
 示温涂料的变色温度、变色能力及使用范围均取决于变色颜料，其基本要求是该物质在发生变化时，能够发生一定的物理化学变化，相应地引起颜色的变化。同时，要对温度变化敏感，有明显的变色界限，变色温度区间较小，具有良好的适应环境能力。由表２可知，增加颜填料可使变色温度降低，变色范围缩小。
３） 变色抑制剂的影响。当Ｃｏ盐与变色抑制剂的摩尔比为１∶０．５时，其配方为Ｃｏ盐０．５ｇ，脲醛树脂３ｇ，滑石粉量１．５～３．０ｇ。实验结果见表３所示。  表３与表１对比可以看出，变色抑制剂对示温涂料的变色抑制作用十分明显。加量少，变色温度略有降低。在实际应用中，可根据需要添加和调节变色抑制剂的用量。钴盐示温涂料为可逆型示温涂料。将变色后的试片置于室温环境中，颜色可逐渐复原。
２．３．２ 碳酸盐示温涂料
１） 填料量的影响。其配方为添加碳酸盐１ｇ，脲醛树脂２ｇ，滑石粉１．０～２．５ｇ。其实验结果见表４所示。
 由表４可以看出，填料量对变色温度无影响。
２） 颜料量的影响。其配方为脲醛树脂２ｇ，滑石粉１ｇ，颜料碳酸盐量０．５～１．５ｇ。其实验结果见表５所示。
由表５可知，增加颜料用量，变色范围加宽。  ２．３．３ 碱性品红示温涂料
碱性品红示温涂料也受颜料量的影响，其配方为虫胶溶液（５０％）７．８ｇ，钛白粉５ｇ，颜料碱性品红（碱性品红示温涂料的湿涂层为玫瑰红色，干后为青莲色。）０．５～１ｇ。其实验结果见表６所示。
 由表６可知，颜料量改变不影响变色温度及范围，在这种情况下，选用第２０号配方较为经济。
２．３．４ 翡翠绿示温涂料
翡翠绿示温涂料也受颜料量的影响，其配方为虫胶溶液（５０％）７．８ｇ，钛白粉５ｇ，颜料翡翠绿量０．１～０．５ｇ。其实验结果见表７所示。
 由表７可知，颜料量对变色温度影响不大，但从涂层颜色的清晰来看，配方２５较好。
３ 示温涂料最佳实验结果
通过百余次实验及对２８６块试样的筛选，对其配方中的填料、颜料和变色抑制剂组分的影响进行了研究，得出了在６０～２００℃之间４种不同温度段示温涂料的最佳配方，其配方组成见表８所示。
 由表８可以看出，该配方变色灵敏，变色范围小，色差明显，涂层效果好。
４ 影响因素分析
４．１ 颜料的影响
示温涂料的变色温度、变色能力及使用范围均取决于变色颜料的选择。用于本实验的可逆示温涂料的变色颜料是钴盐，利用其分子内含有结晶水，当加热到一定温度时，它能失去结晶水引起颜色的变化，而当冷却后，又重新吸收空气中的水汽，慢慢恢复到原来的颜色。用于本实验的不可逆示温涂料变色颜料为碳酸盐、碱性品红及翡翠绿，它们的变色是由于其本身在受热时发生热分解或氧化、化合所引起的，属于化学变化，因而不可逆。所选用的颜料均应符合变色前后色差较大，显色清晰，达到温度后变色敏感的基本要求。
４．２ 基料的影响
基料均为具有良好粘结力的高分子物质，它们可以使颜料均匀展色，使涂层牢固地附着于被涂材料的表面。通常选用附着力强、耐温性好、颜色浅而不与颜料组分起化学反应的物质。实验发现，即使同一变色颜料，在不同基料中会表现出不同现象，如所选用碳酸盐在脲醛树脂中变色非常灵敏，达到温度后由深绿变为黑色显色十分清晰，但更换为其他基料，相同温度下则几乎看不出这种颜色的变化。因此，根据不同变色颜料选择适宜的基料是非常重要的。另外还要根据变色温度的高低选择基料的种类。
４．３ 填料的影响
填料一般选用耐热性较强的白色粉末，如滑石粉、钛白粉等。填料起助色作用，防止涂料中颜料沉淀，降低涂料成本。填料在温度作用下，某些活化元素对变色颜料能起一种催化或抑制作用，所以当加入不同填料时，会导致变色温度升高或降低，此作用有时也显示在填料的添加量上，因此对于不同示温涂料，对所加入的填料品种及其用量都应精细选择。
５ 结束语
通过对变色颜料、基料、填料的筛选，研制出几种示温涂料。其中的可逆示温涂料，除可用于建筑装饰外墙，还可作为低成本防伪标签使用。另外３种为单变色不可逆示温涂料，可用来测量和记录现有温度计不易测量和记温的场合，如涡轮叶片的受热情况、电子元件、轴承套、机械危险部件等处的温度监控；还可用于某些储罐的超温报警等方面。经过本实验确定的４种示温涂料，变色灵敏，色差明显，变色温度范围小，涂层质量好，可在４个温度范围应用。关于示温涂料的研究，有着许多值得深入探索的课题，笔者还在致力于开发更为实用、低成本的示温涂料。 |
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